机械工程控制基础

本书讲述了经典控制理论的基本原理及其在机械工程领域中的应用。全书共8章，主要介绍了自动控制的基本概念、控制系统在时域和频域中数学模型的建立，分析了单输入单输出线性定常系统的瞬态特性、稳定性和稳态特性，阐述了线性控制系统的时域分析法、频域分析法、根轨迹法及设计校正方法。本书简化或略去了较深奥的严格数学推导内容，引入了较多的例题，便于教学和自学。除第1章外，其余各章均介绍了利用MATLAB进行相关分析的示例。为使读者对经典控制理论的应用有一个完整的了解，本书系统并循序渐进地结合各章内容介绍了机床工作台位置自动控制系统和磁盘驱动器读入系统两个设计示例。本书可作为普通高等院校机械工程及自动化、机械电子工程、机械设计制造及其自动化等专业的教材，也可供相关工程技术人员参考。

前言
第1章绪论1
1.1控制理论的发展历史1
1.2自动控制系统的基本原理3
1.2.1自动控制系统的基本概念3
1.2.2反馈控制系统的基本组成4
1.2.3自动控制系统的基本控制方式5
1.2.4自动控制系统的分类6
1.2.5自动控制系统的基本要求8
1.3控制理论在工程中的应用举例8
1.3.1瓦特的飞球离心调速系统8
1.3.2工作台位置自动控制系统9
1.3.3磁盘驱动器读入系统11
1.3.4机器人位置与力控制系统12
1.4自动控制系统的分析与设计工具14
1.5本课程的特点和学时安排15
习题16
第2章控制系统的动态数学模型18
2.1数学模型的概念18
2.2控制系统的微分方程19
2.2.1建立控制系统微分方程的基本步骤19
2.2.2机械系统的微分方程20
2.2.3电路系统的微分方程22
2.2.4机电系统的微分方程23
2.2.5非线性微分方程的线性化24
2.3拉普拉斯变换和反变换26
2.3.1拉普拉斯变换的定义26
2.3.2典型函数的拉普拉斯变换27
2.3.3拉普拉斯变换的性质28
2.3.4拉普拉斯反变换及其计算方法33
2.3.5借助拉普拉斯变换解常系数线性微分方程36
2.4传递函数和典型环节的传递函数37
2.4.1传递函数的概念37
2.4.2特征方程、零点和极点38
2.4.3传递函数的求法39
2.4.4典型环节的传递函数40
2.5系统框图及其简化45
2.5.1系统框图的组成45
2.5.2环节连接方式及运算法则46
2.5.3系统框图的变化法则与简化47
2.5.4利用框图简化求系统传递函数49
2.5.5信号流图与梅逊公式52
2.6控制系统的传递函数55
2.7控制系统数学模型的MATLAB描述57
2.7.1传递函数的MATLAB描述57
2.7.2环节连接方式及系统框图简化的MATLAB描述60
2.8系列工程问题举例63
2.8.1工作台位置自动控制系统数学建模63
2.8.2磁盘驱动器读入系统数学建模66
习题68
第3章时域瞬态响应分析72
3.1时域响应及典型输入信号72
3.2一阶系统的瞬态响应74
3.2.1一阶系统的单位阶跃响应74
3.2.2一阶系统的单位斜坡响应75
3.2.3一阶系统的单位脉冲响应76
3.2.4一阶系统的单位加速度响应76
3.3二阶系统的瞬态响应77
3.3.1二阶系统的单位阶跃响应79
3.3.2二阶系统的单位脉冲响应81
3.3.3二阶系统的单位斜坡响应82
3.4二阶系统瞬态响应的性能指标84
3.5高阶系统的瞬态响应89
3.6MATLAB在时间响应分析中的应用92
3.6.1基于MATLAB工具箱的时域分析92
3.6.2系统框图输入与仿真工具Simulink94
3.7系列工程问题举例100
3.7.1工作台位置自动控制系统的时域响应分析100
3.7.2磁盘驱动器读入系统的时域响应分析101
习题103
第4章控制系统的频率特性分析106
4.1频率特性106
4.1.1频率特性概述106
4.1.2频率特性的特点与作用110
4.1.3频率特性的求取方法111
4.2极坐标图113
4.2.1极坐标图概述113
4.2.2典型环节的极坐标图113
4.2.3一般系统极坐标图的作图方法117
4.2.4极坐标图的一般形状119
4.3对数坐标图120
4.3.1典型环节频率特性的对数坐标图121
4.3.2一般系统对数坐标图的作图方法126
4.3.3最小相位系统129
4.4由频率特性曲线求系统传递函数131
4.5控制系统的闭环频率性能指标134
4.5.1开环频率特性与闭环频率特性的关系134
4.5.2闭环频率性能指标135
4.6利用MATLAB绘制频率特性曲线136
4.6.1奈奎斯特曲线的绘制136
4.6.2伯德图的绘制138
4.7系列工程问题举例141
4.7.1工作台位置自动控制系统的频域分析141
4.7.2磁盘驱动器读入系统的频域分析141
习题145
第5章控制系统的稳定性分析149
5.1系统稳定性的基本概念及充分必要条件149
5.1.1系统稳定性的基本概念149
5.1.2系统稳定的充分必要条件150
5.2代数稳定判据151
5.2.1劳斯稳定判据151
5.2.2赫尔维茨稳定判据158
5.3奈奎斯特稳定判据159
5.3.1辐角定理160
5.3.2辅助函数162
5.3.3奈奎斯特稳定判据164
5.3.4奈奎斯特稳定判据的应用举例166
5.4伯德判据169
5.5控制系统的相对稳定性171
5.6利用MATLAB分析系统稳定性174
5.7系列工程问题举例178
5.7.1工作台位置自动控制系统稳定性分析178
5.7.2磁盘驱动器读入系统稳定性分析179
习题181
第6章控制系统的误差分析185
6.1稳态误差的基本概念185
6.2由输入信号引起的稳态误差186
6.2.1稳态误差计算186
6.2.2静态误差系数188
6.3干扰引起的稳态误差191
6.4减小系统误差的途径194
6.5利用MATLAB计算系统的稳态误差194
6.6系列工程问题举例195
6.6.1工作台位置自动控制系统误差分析195
6.6.2磁盘驱动器读入系统误差分析196
习题198
第7章控制系统的综合与校正200
7.1系统的性能指标200
7.1.1时域性能指标200
7.1.2频域性能指标200
7.1.3开环频率特性的三个频段200
7.1.4闭环频域指标与时域指标的关系203
7.2系统校正概述205
7.3串联校正207
7.3.1相位超前校正207
7.3.2相位滞后校正210
7.3.3相位滞后超前校正212
7.4采用对数坐标图进行串联校正网络的设计213
……